ENERGI INTERNAL

AZAS TEKNIK KIMIA II

ENERGI INTERNAL

DISUSUN OLEH :

      Ferdinand Mangundap           ( 0931010014 )

      Yohanes Setiawan                  ( 0931010019 )

      Fernandez Hartoyo                 ( 0931010024 )

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

JURUSAN TEKNIK KIMIA

UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL

SURABAYA ( JAWA TIMUR )

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, yang atas rahmat-Nya maka penulis dapat menyelesaikan penyusunan makalah azas teknik kimia dengan materi energi dalam. Penulisan makalah adalah merupakan salah satu tugas untuk presentasi.Dalam Penulisan makalah ini penulis merasa masih banyak kekurangan-kekurangan baik pada teknis penulisan maupun materi, mengingat akan kemampuan yang dimiliki penulis. Untuk itu kritik dan saran dari semua pihak sangat penulis harapkan demi penyempurnaan pembuatan makalah ini.

                                                                                   

Surabaya,Maret 2011-03-07

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Dalam fisika, energi adalah kuantitas yang sering dipahami sebagai kemampuan sistem fisik untuk menghasilkan sistem fisik lainnya. Perubahan dihasilkan ketika energi dipindahkan dari satu sistem ke sistem lainnya. Sebuah sistem bisa memindahkan energi melalui tiga cara: kerja fisika atau termodinamika, perpindahan panas atau perpindahan massa.

Semua bentuk energi suatu sistem merupakan salah satu dari dua komponen besar: energi internal dan energi eksternal. Semua tipe energi internal dan energi eksternal bisa dikelompokkan sebagai energi kinetik atau energi potensial. Energi kinetik adalah energi yang bergantung pada massa dan gerak sistem.

Jika sistem ini dipelajari sebagai sebuah sistem keseluruhan maka disebut energi kinetik eksternal. Energi panas adalah enegi kinetik internal dan merujuk pada gerakan dari setiap partikel sistemnya (gerak molekulnya, gerak atom-atomnya, gerak elektronnya dan lain-lain).

Energi potensial gravitasi adalah sebuah energi potensial eksternal dan begitu pula dengan energi potensial elektrostatik. Energi eleastis adalah contoh energi potensial internal.

I.2 Tujuan

      Mengetahui secara garis besar entang energi dalam suatu sistem.

      Mendiskripsikan persamaan umum gas ideal dalam teori kinetik.

      Mendiskripsikan persamaan dalam faktor yang mempengaruhi energi dalam.

I.3 Manfaat

      Mengetahui persamaan energi kinetik suatu gas dalam energi dalam sistem

      Mengetahui penurunan persamaan-persamaan yang dipakai dalam suatu faktor yang mempengaruhi suatu energi dalam.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Konsep Energi

Suatu sistem dikatakan mempunyai energi/tenaga, jika sistem tersebut mempunyaikemampuan untuk melakukan usaha. Besarnya energi suatu sistem sama dengan besarnyausaha yang mampu ditimbulkan oleh sistem tersebut. Oleh karena itu, satuan energi samadengan satuan usaha dan energi juga merupakan besaran skalar (prinsip usaha-energi:

usaha adalah transfer energi yang dilakukan oleh gaya-gaya yang bekerja pada benda).
Dalam fisika, energi dapat digolongkan menjadi beberapa macam antara lain:

a. Energi mekanik (energi kinetik + energi potensial)
b. Energi panas
c. Energi listrik
d. Energi kimia
e. Energi nuklir
f. Energi cahaya
g. Energi suara

Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan yang terjadi hanyalahtransformasi/perubahan suatu bentuk energi ke bentuk lainnya, misalnya dari energimekanik diubah menjadi energi listrik pada air terjun.

Dalam fisika, energi adalah kuantitas yang sering dipahami sebagai kemampuan sistem fisik untuk menghasilkan sistem fisik lainnya. Perubahan dihasilkan ketika energi dipindahkan dari satu sistem ke sistem lainnya. Sebuah sistem bisa memindahkan energi melalui tiga cara: kerja fisika atau termodinakmika, perpindahan panas atau perpindahan massa.

Semua bentuk energi suatu sistem merupakan salah satu dari duakomponen besar: energi internal dan energi eksternal. Semua tipe energi internal dan energi eksternal bisa dikelompokkan sebagai energi kinetik atau energi potensial. Energi kinetik adalah energi yang bergantung pada massa dan geraksistem.

Jika sistem ini dipelajari sebagai sebuah sistem keseluruhan maka disebut energi kinetik eksternal. Energi panas adalah enegi kinetik internal dan merujuk pada gerakan dari setiap partikel sistemnya (gerak molekulnya, gerak atom-atomnya, gerak elektronnya dan lain-lain).

Energi potensial gravitasi adalah sebuah energi potensial eksternal dan begitu pula dengan energi potensial elektrostatik. Energi eleastis adalahcontoh energi potensial internal.

Konsep Kekekalan Energi

Fisikawan Jerman, Hermann von Helmholtz, telah membuktikan bahwa semua bentuk energi bersifat ekuivalen. Helmholtz mengemukakan bahwa energi bisa berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya dengan sejumlah energi yang sama. 

Sifat perubahan bentuk energi ini membuktikan konsep kekekalan energi. Energi hanya bertransformasi (berubah bentuk) dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi lainnya. Ini sesuai dengan hukumkekekalan energi: energi tidak bisa diciptakan dan dimusnahkan, energi hanya bisa bertransformasi.

Pengukuran Energi

Karena energi didefinisikan sebagai kemampuan melakukan kerja pada objek maka pengukuran energi bukan sesuatu yang mutlak. Hanya transisi dari satu keadaan sistem ke keadaan lainnya yang bisa ditentukan sehingga pengukurannya sangat relatif terhadap kerangka acuan yang digunakan. Biasanya untuk mempermudah pengukuran dipilih titik acuan dasar atau titik nol sebagai dasar acuan.  

Metode yang digunakan untuk mengukur energi biasanya identik dengan pengukuran terhadap konsep fundamental dalam sains, seperti pengukuran massa, jarak, radiasi, suhu, waktu, muatan listrik, dan arus listrik. Hal ini wajar karena energi merupakan fungsi dari konsep-konsep fundamental ini.

Hasil pengukuran energi kemudian dinyatakan dalam satuan energi. Satuan energi standar (dalam SI) adalah Joule. Bentuk energi lain yang biasa dipakai adalah kalori, kilowatt per jam (kwh = kilo watt per hour) dan British thermal unit (Btu). Satu kalori setara dengan 4,18 Joule, 1 kWh setara dengan 3,6 juta Joule dan satu Btu setara dengan 1055 Joule.

Bentuk Energi 

Berikut ini adalah bentuk-bentuk energi yang umum dalam konteks ilmu fisika:

• Energi Panas (Kalor) 
• Energi Kimia 
• Energi Listrik 
• Energi Radiasi, energi dari radias elektromagnetik.
• Energi Nuklir 
• Energi Magnetik 
• Energi Elastik 
• Energi Suara 
• Energi Mekanik
• Energi Cahaya

II.2 Energi internal ( U )

Energi internal (internal energy,U) adalah pengukuran makroskopik dari energi molekuler, atomic, dan subatomic, yang semuanya mengikuti kaidah konservasi mikroskopik tertentu. Karena tidak ada peralatan untuk mengukur energi internal secara langsung pada skala makroskopik, energi internal harus dihitung dari variabel tertentu lainnya yang dapat diukur secara makroskopik, seperti tekanan, volume, suhu, dan komposisi.

Jika kita mengatakan bahwa ( ) adalah fungsi dari T dan V,                     =  (T,V)

Dengan mengambil turunan total, ditemukan bahwa    =  dV. Berdasar definisi  adalah kapasitas kalor pada volume konstan. Maka dari itu, perubahan dalam energi internal dapat dihitung dengan mengintegralkan persamaan diatas sebagai berikut :

 -  =   dT            = ΔT

II.3 Satuan                                  

Satuan energi dalam adalah joule.

II.4 Notasi

Energi dalam dinotasikan sebagai U.

II.5 Hukum pertama thermodinamika

Hukum pertama thermodinamika adalah Energi yang terdapat dalam sistem yang dapat berkurang jika ada kerja yang dilakukan sistem terhadap lingkungan dan bertambah jika ada panas yang ditambahkan dalam sistem.

Selama terjadi perubahan keadaan suatu sistem, energi dalam dapat berubah dari harga awal U₁ ke harga akhir U₂, dituliskan ΔU = U₂ – U₁. Jika ditambahkan sejumlah panas Q ke sistem dan sistem tidak menghasilkan kerja selama proses, energi dalam sistem meningkat setara dengan jumlah Q yang ditambahkan dalam sistem yaitu ΔU = Q. Jika sebuah sistem melakukan kerja dengan berekspansi terhadap lingkungannya dan tidak ada panas yang ditambahkan selama proses, energi meninggalkan sistem dan energi dalam berkurang atau bernilai negatif.

U₂ – U₁ = ΔU = Q – W

           

Dimana :

            U₁ : energi dalam pada keadaan awal (joule)

            U₂ : energi dalam pada keadaan akhir (joule)

            Q : panas (joule)

            W : kerja (joule)

Dapat dituliskan kembali dalam bentuk :

Q = ΔU + W

Yang dapat disimpulkan dari persamaan diatas adalah bahwa secara umum ketika panas Q ditambahkan ke sistem, sebagian dari energi yang ditambahkan ini tetap tinggal di dalam sistem, mengubah energi dalam sebanyak ΔU; sisanya meninggalkan sistem lagi ketika sistem melakukan kerja W terhadap lingkungannya. Karena W dan Q dapat bernilai positif, negatif atau nol, maka ΔU dapat bernilai positif, negatif atau nol untuk proses yang berbeda.

Untuk proses siklus, keadaan akhir sama dengan keadaan awal, sehingga energi dalam total adalah nol. Sehingga :

U₂ = U₁ dan Q = W

Pada sistem terisolasi, yang tidak melakukan kerja pada lingkungannya dan tidak mengalami aliran panas dari atau menuju lingkungannya. Untuk proses apapun yang berlangsung dalam sistem terisolasi,

W = Q = 0

Sehingga                              U₂ – U₁ = ΔU = 0

Dengan kata lain, energi dalam suatu sistem yang terisolasi adalah konstan.

II.6 Perubahan keadaan yang sangat kecil.

(INFINITESIMAL)

Perubahan keadaan yang sangat kecil dimana sejumlah kecil panas dQ ditambahkan ke sistem, sistem melakukan kerja sekecil dW dan energi dalam berubah sebanyak dU. Untuk proses seperti itu, hukum pertama thermodinamika dinyatakan dalam bentuk differensial berupa

                                                            dU = dQ – dW

Untuk sistem tersebut kita akan membahas bahwa kerja dW dinyatakan sebagai dW = pdV, sehingga hukum pertama thermodinamika dapat dituliskan sebagai

dU = dQ – p dV

II.7 Jenis-jenis thermodinamika

a.      Proses Adiabatik

Proses adiabatik didefinisikan sebagai proses tanpa perpindahan panas yang masuk atau keluar dari sistem : Q = 0. Panas dapat dicegah mengalir, baik dengan membungkus sistem dengan bahan isolator termal, maupun dengan melakukan proses secara sangat cepat sehingga tidak ada cukup waktu untuk terjadinya aliran panas. Untuk proses adiabatik hukum pertama thermodinamika dapat ditulis sebagai

U₂ – U₁ = ΔU = - W

Ketika sistem berekspansi secara adiabatik, W adalah positif (sistem melakukan kerja terhadap lingkungannya), maka ΔU adalah negatif dan energi dalam berkurang. Ketika sistem dikompresi secara adiabatik, W adalah negatif (kerja dilakukan terhadap sistem oleh lingkungan) dan U meningkat.

b.      Proses Isokhorik

Proses isokhorik adalah proses volume konstan. Ketika volume suatu sistem termodinamik konstan, sistem tidak melakukan kerja pada lingkungannya. Maka     W = 0, dan

U₂ – U₁ = ΔU = Q

Pada sebuah proses isokhorik, semua energi yang ditambahkan sebagai panas akan tinggal didalam sistem sebagai kenaikan energi dalam.

c.       Proses Isobarik

Proses isobar adalah proses tekanan konstan. Secara umum, tidak satupun dari ketiga kuantitas ΔU, Q, W adalah nol pada proses isobaric tapi menghitung W sangat mudah

W = p (V₂ – V₁)

d.      Proses Isothermal

Sebuah proses isothermal adalah proses suhu konstan. Agar proses menjadi isothermal, setiap aliran panas yang masuk atau keluar sistem harus berlangsung dengan cukup lambat sehingga kesetimbangan termal terjaga. Secara umum, tidak satupun kuantitas ΔU, Q, atau W adalah nol pada suatu proses isothermal. Untuk sistem gas ideal, jika suhu konstan, energi dalam juga konstan; ΔU = 0 dan Q = W. sehingga energi yang masuk ke sistem sebagai panas Q harus keluar sistem lagi sebagai kerja W yang dilakukan oleh sistem.

II.8 Contoh soal

1.      Satu gram air (1 cm³) menjadi 1671 cm³ uap ketika dididihkan pada tekanan konstan 1 atm (1,013 x 10⁵ Pa). Panas penguapan pada tekanan ini adalah L_v = 2,256 x 10⁶ J/Kg. Hitung :

a.       Kerja yang dilakukan oleh air ketika menguap.

b.      Kenaikan energi-dalam air.

Penyelesaian :

a.       Untuk proses tekanan konstan dapat digunakan persamaan

W = p(V₂ – V₁)

                                   = (1,013 x 10⁵ Pa)(1671 x 10^-6 m³ – 1 x 10^-6 m³)

                                    = 169,171 J

b.      Panas yang ditambahkan ke air adalah panas penguapan :

Q = mL_v = (10^-3 kg)(2,256 x 10^-6 J/kg) = 2256 J

Dari persamaan hukum pertama thermodinamika, perubahan energi-dalam adalah

ΔU = Q - W = 2256 J – 169 J = 2087

2.      Sebuah ruang tidur berisi sekitar 2500 mol udara. Tentukan perubahan energi internal seluruh udara tersebut saat didinginkan dari 23,9 ^oC menuju 11,6 ^oC pada tekanan konstan 1 atm. Asumsikan udara sebagai gas ideal dengan

Penyelesaian :

Maka :

                         

3.      Sejumlah 2 mol gas ideal monoatomik dinaikkan dari 27⁰C  menjadi 127⁰C pada tekanan tetap.Jika konstanta gas umum R=8,31 J/mol K,tentukanlah:

·         Perubahan energi dalam

PENYELESAIAN :

Besaran yang diketahui :

n = 2 mol

T1 = 27 + 273 = 300 K

T2 = 127 + 273 = 400 K

R = 8,31 J/mol K

Perubahan energi dalam

∆U = 3/2nRt (T2-T1)

= 3/2(2)(8,31)(400 – 300)

= 2493 joule

DAFTAR PUSTAKA

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga